Взаимодействие альфа частиц с веществом кратко

Обновлено: 02.07.2024

Альфа-частицы относят к тяжёлым частицам (наряду с протонами, нейтронами, дейтронами и тритонами). Собственно, α-частицы представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов, т.е. имеют атомную массу 4 и заряд 2. В этой группе частиц массы различаются не более чем в 4 раза, а заряды – в 2 раза. Поэтому могут быть установлены точные соотношения между величинами пробегов, линейными коэффициентами ослабления и другими характеристиками взаимодействия этих частиц с веществом. Поэтому достаточно рассмотреть взаимодействие с веществом альфа-частиц, а для остальных тяжёлых заряженных частиц существуют пересчётные формулы для определения характеристик их взаимодействия с веществом, учитывающие различие их масс и зарядов по сравнению с альфа-частицами.

Известно большое число радиоактивных изотопов, при распаде которых образуются α-частицы. Их энергия зависит от того, каким радиоактивным веществом они испускаются, и не превышает 9 МэВ. Более высокие энергии альфа-частиц (до десятков гигаэлектрон-вольт) могут быть получены в ускорителях заряженных частиц..

Двигаясь в веществе, α-частицы испытывают электрические взаимодействия с электронами атомов, в процессе которых постепенно теряют свою энергию, после чего, присоединяя к себе электроны, нейтрализуются, образуя атомы гелия. Атомные электроны, получив от α-частицы во время столкновения порцию энергии, либо вырываются из атома, либо переходят на более высокую орбиту, т.е. α-частица вдоль своей траектории движения производит ионизацию и возбуждение атомов вещества. При этом число возбуждённых атомов в несколько раз превышает число ионизированных.

При полном замедлении α-частицы суммарная потеря энергии на ионизацию Е₁ и возбуждение Е₂ атомов равна начальной кинетической энергии α-частицы:

Если в процессе замедления α-частицы возникло N ионных пар, то средняя энергия, затрачиваемая α-частицей в веществе на образование одной ионной пары, будет равна

Величину ε называют энергией образования ионной пары. Она больше энергии ионизации атома ε_и = Е₁/N примерно в два раза. Чтобы найти число ионных пар, возникающих при полном торможении частицы в веществе, необходимо кинетическую энергию α-частицы разделить на соответствующее значение ε. В таблице 3.5 [3] представлены значения энергии образования ионной пары и энергии ионизации для некоторых чистых газов.

Энергия образования ионной пары ε и энергия ионизации ε_и

некоторых чистых газов

Газ	ε, эВ	ε_и , эВ	Газ	ε, эВ	ε_и , эВ
He Ne Ar Kr Xe H₂ CO₂	42,7 36,8 26,4 24,1 21,9 36,3 34,5	24,56 21,56 15,76 14,00 12,13 15,43 13,73	O₂ N₂ CH₄ C₂H₂ C₂H₆ C₂H₄ Воздух	32,5 36,6 29,2 27,5 26,6 28,0 35.5	12,20 15,51 13,04 11,35 11,76 10,51 -

Пик на кривой Брэгга объясняется особенностями взаимодействия медленных α-частиц с атомными электронами. Чем медленнее движется α-частица, тем больше время её взаимодействия с атомными электронам, а следовательно, и вероятность ионизации атома. Но когда начинается процесс перезарядки, α-частица резко тормозится, её энергия падает и вероятность ионизации также резко падает. Затем α-частица, исчерпав свою энергию, останавливается и нейтрализуется. Поскольку масса α-частицы в тысячи раз больше массы электронов, то при столкновениях с электронами она практически не отклоняется от направления своего первоначального движения и её траектория представляет собой прямую линию. Расстояние, проходимое α-частицей от источника до остановки, называют линейным пробегом R.

Рис. 3.17. Изменение удельной ионизации при торможении α-частицы

в воздухе (кривая Брэгга) – а, и зависимость потока α-частиц от расстояния до источника – б (R – экстраполированный пробег, R₀ – средний пробег)

Некоторый разброс в пробегах моноэнергетических α-частиц объясняется вероятностным характером их взаимодействия с электронами атомов. Частицы теряют свою энергию в большом, но конечном числе актов столкновений. Флуктуациям подвержено как число таких актов на единицу пути, так и потери энергии в каждом акте. Поэтому за величину линейного пробега принимают либо средний пробег R₀ , либо экстраполированный линейный пробег R, который близок к максимальному пробегу (см. рис. 3.17-б). Разница между экстраполированным и средним пробегами называется разбросом пробегов: δ = R – R₀. Величина разброса составляет примерно 1 % от экстраполированного пробега при энергии α-частиц 5 МэВ.

Альфа-излучение обладает существенно более сильным ионизирующим действием, чем β-излучение, вследствие существенно большей массы и энергии α-частиц. Поэтому глубина проникновения альфа-излучения в вещество существенно меньше.

Глубиной проникновения считается толщина слоя поглотителя, при прохождении через который интенсивность излучения ослабляется в е раз.

Она также зависит от энергии α-частиц и для воздуха при температуре +15 0 С и давлении 101,3 кПа её можно подсчитать по эмпирической формуле [3]:

где глубина проникновения R определяется в см, а энергия Е – в МэВ.

При энергии α-частиц в 10 МэВ глубина проникновения в воздухе составляет около 10 см. В твёрдых веществах глубина проникновения α-излучения составляет доли или единицы мм.

Соотношение между пробегом и энергией α-частиц в различных веществах широко изучалось как теоретически, так и экспериментально. С хорошей точностью пробег α-частиц в веществе с атомным номером А можно рассчитать по эмпирической формуле [14]

где R – пробег α-частиц в воздухе при температуре +15 0 С и давлении 760 мм рт. ст. (101,3 кПа), который находится по формулам (3.24).

Пробег частиц в различных веществах можно выразить через пробег в воздухе при помощи так называемой относительной тормозной способности. Она представляет собой отношение тормозной способности данного вещества к тормозной способности воздуха.

Тормозная способность выражается либо в виде потери энергии частицы на единице пути – линейная тормозная способность, либо в виде потери энергии частицы на единице толщины, выраженную через массу, приходящуюся на единицу площади – массовая тормозная способность.

Абсолютные тормозные способности для любого вещества очень сильно зависят и от вида частиц и от их энергии. Использование относительной тормозной способности позволяет в значительной степени ослабить зависимости от вида и энергии частиц. Это видно и из приведенной ниже таблицы 3.6 [14], где приведены относительные тормозные способности (линейная S_L и массовая S_m) нескольких металлов для α-частиц различной энергии и пробег тех же частиц в воздухе.

Относительные тормозные способности некоторых материалов

для α-частиц различных энергий

Энергия частицы. МэВ	Пробег в воздухе, см	Al, ρ = 2,7 г/см 3	Cu, ρ = 8,9 г/см 3	Pb, ρ = 11,0 г/см 3
S_L	S_m	S_L	S_m	S_L	S_m
2,0	0,80	-	-	0,32
6,3	0,79	0,58	0,33
9,7	0,81	0,59	0,35
0,86	0,65	0,39

Из неё следует, что если пробег α-частиц в воздухе (а значит и абсолютная линейная тормозная способность воздуха) при изменении энергии α-частиц от 2 МэВ до 37 МэВ изменяется в 100 раз, то относительные тормозные способности для указанных материалов (особенно массовая) при том же диапазоне изменения энергии α-частиц изменяются всего в пределах 10 процентов. Таким образом, относительную тормозную способность удобно использовать именно как характеристику вещества при взаимодействии с ионизирующими излучениями.

Если известно соотношение между пробегом и потерями энергии для данного вида частиц в данном веществе, то можно получить расчётным путём соответствующее соотношение для другого типа частиц в том же веществе. Для этого можно воспользоваться аналитическим выражением тормозной способности материала, определяющим потери энергии частицей на единице пути dE/dx в данном материале:

где Е – кинетическая энергия частицы;

z – её заряд;

v – её начальная скорость;

N – число атомов в 1 см 3 поглотителя;

Z – атомный номер поглотителя;

B – коэффициент торможения;

е – заряд электрона;

m – масса электрона.

Для частицы массой М и зарядом z, используя (3.19), можно найти расстояние, пройденное в данном веществе, на котором её энергия изменится от начальной энергии Е до нуля :

С помощью уравнения (3.27) можно найти пробег протонов R_p(v) с начальной скоростью v через пробег α-частиц в том же веществе с той же начальной скоростью:

Таким образом, для воздуха и для энергий больших 0,5 МэВ можно записать

а т.к. при равных скоростях частиц для их энергий справедливо соотношение

E_αM_p /M_α , то вместо (3.29) можно записать

Здесь означает пробег α-частицы, рассчитанный для энергии, равной 3,972 от соответствующей энергии протона.

Если нужно найти пробег частицы с таким же зарядом, но с другой массой (например, дейтронов или тритонов по отношению к протонам), то поправочный коэффициент С в выражении (3.28) исчезает, т.к. процесс захвата и потери атомарных электронов у этих частиц протекает одинаково. Поэтому, если известен пробег частицы массой М₀ в веществе, то рассчитать пробег в этом веществе другой частицы с таким же зарядом, но другой массой М, можно по формуле

Ионизирующее излучение - излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных.

По природе ионизирующие излуч делятся на два основных вида:

а) корпускулярные (альфа, бета, нейтронное)

б) электромагнитные (гамма, рентгеновское)

Основные характеристики для корпускулярных излучений - заряд, масса и энергия частицы - определяют особенности взаимодействия данных излучений с веществом и, соответственно, степень и вероятность их повреждающего действия.

Тип радиоактивного превращения определяется видом частиц, испускаемых при распаде. Процесс радиоактивного распада всегда экзотермичен. Исходное ядро называется материнским (символ X), а получающееся после распада ядро - дочерним (Y).

Нестабильные ядра претерпевают 4 основных типа радиоактивных превращений:

а) альфа-распад - состоит в том, что тяжелое ядро самопроизвольно испускает альфа-частицу, т.е. это чисто ядерное явление. Известно более 200 альфа-активных ядер, почти все они имеют порядковый номер больше 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 и 235; Th-232; Pu-239 и 240). Энергия альфа-частиц тяжелых ядер чаще всего находится в интервале от 4 до 9 МэВ.

б) бета-превращение - это внутринуклонный процесс; в ядре распадается одиночный нуклон, при этом происходит внутренняя перестройка ядра и появляются вылетающие из ядра -частицы (электрон , позитрон , нейтрино , антинейтрино ). Примеры радионуклидов, претерпевающих бета-превращение: тритий (H-3); C-14; радионуклиды натрия (Na-22, Na-24); радионуклиды фосфора (P-30, P-32); радионуклиды серы (S-35, S-37); радионуклиды калия (K-40, K-44, K-45); Rb-87; радионуклиды стронция (Sr-89, Sr-90); радионуклиды йода (I-125, I-129, I-131, I-134); радионуклиды цезия (Cs-134, Cs-137).

Энергия бета-частиц варьирует в широком диапазоне: от 0 до E_max (полная энергия, выделяющаяся при распаде) и измеряется в кэВ, МэВ. Для одинаковых ядер распределение вылетающих электронов по энергиям является закономерным и называется спектром электронов -распада, или бета-спектром; по спектру энергии бета-частиц можно провести идентификацию распадающегося элемента.

Один из примеров бета-превращения одиночного нуклона - распад свободного нейтрона (период полураспада 11,7 мин):

Виды бета-превращения ядер:

1) электронный распад: .

Примеры электронного распада: ,

2) позитронный распад:

Примеры позитронного распада: ,

3) электронный захват (К-захват, т.к. ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, обычно из К-оболочки):

Примеры электронного захвата: ,

Характеристика корпускулярных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом.

1) альфа-частицы (ядра гелия):

- заряд +2, масса 4 а.е.м.

- энергия альфа-частиц при выходе из ядра составляет 3 – 11 МэВ (эВ – электрон-вольт – внесистемная единица энергии: 1 эВ = 1,610 -19 Дж)

- обладают высокой ионизационной способностью, образуя несколько десятков тысяч пар ионов на микрометр пробега в веществе; по мере продвижения альфа-частицы в веществе плотность ионизации возрастает в несколько раз (с 20 тыс. до 80 тыс. пар ионов на 1 мкм пути) и затем, практически при завершении пробега, резко падает.

Кривая Брегга - график, отражающий зависимость ЛПЭ альфа-излучения от пройденного в веществе пути

- траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны в связи с их большой массой

- пробег альфа-частиц в воздухе до 11 см, в жидкостях и биологических тканях - от 10 до 100 мкм

- альфа-излучение позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине поражённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях (используется для лечения опухолей)

- элементарная защита - любой плотный материал даже незначительной толщины (лист бумаги, кожа, одежда)

2) бета-частицы (электроны и позитроны):

- заряд -1 (электроны) и +1 (позитроны), масса пренебрежимо мала (1/1836 а.е.м.)

- энергия порядка нескольких кэВ

- удельная плотность ионизации, создаваемая бета-частицами, примерно в 1000 раз меньше, чем у альфа-частиц той же энергии; бета-частица образует несколько десятков пар ионов на микрометр пробега в веществе.

- в веществе кроме ионизации за счёт торможения электронов в веществе (особенно состоящем из атомов с большим порядковым номером), возникает тормозное рентгеновское излучение; чем выше энергия потока бета-частиц, тем более жестким будет тормозное излучение (используется в рентгеновских трубках)

-частиц при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, траектория их очень извилиста (в связи с малой массой)

- проникающая способность у бета-частиц больше, чем у альфа-частиц (длина пробега в воздухе несколько метров, в биологической ткани - сантиметры)

- элементарная защита - тонкий слой легкого металла (алюминиевая фольга), пластмасса, стекло.

- заряд 0 (за счет этого беспрепятственно проникают вглубь атомов, взаимодействуя непосредственно с ядрами), масса 1 а.е.м.

- энергия от 0,025 эВ до 300 и более МэВ; в зависимости от энергии выделяют медленные (энергия до 1 МэВ) и быстрые (энергия выше 1 МэВ) нейтроны

- защитные материалы: для быстрых нейтронов - вода, парафин, бетон, пластмассы; для медленных нейтронов - бораль, борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом

Возможны следующие эффекты взаимодействия нейтронного излучения с веществом:

а) упругое рассеяние - нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления; ядро, с которым взаимодействует нейтрон (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизировать другие атомы и молекулы.

Данный эффект характерен для быстрых нейтронов (пример - рассеяние на ядрах водорода (протонах); при этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии с образованием протона отдачи, поэтому для замедления быстрых нейтронов используют вещества, содержащие водород - вода, парафин).

б) неупругое рассеяние - часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое затем переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

в) поглощение (радиационный захват) - при взаимодействии нейтрона с ядром оно переходит в возбуждённое состояние и испускает гамма-квант или частицы (протон, нейтрон, альфа-частицу).

В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными с образованием так называемой "наведенной" активности. Данный эффект наиболее характерен для медленных нейтронов, их лучшими поглотителями являются кадмий и бор.

Основная часть энергии заряженных частиц, взаимодействующих с веществом, идёт на его:

1) ионизацию - отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы.

2) возбуждение - переход электрона на удаленную от ядра орбиталь; происходит, когда энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона.

а) прямо ионизирующие - ионизацию непосредственно производят заряженные частицы (альфа- и бета-); механизм потери энергии этих частиц в поглотителе в основном обусловлен кулоновским взаимодействием с орбитальными электронами атомов вещества.

б) косвенно ионизирующие - электрически нейтральные излучения (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизируют атомы среды в результате вторичных процессов.

Степень ионизации зависит как от свойств самого излучения (энергия, заряд частиц), так и от структуры облучаемого объекта. Основными свойствами излучений являются:

1) линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - это число пар ионов, образованных заряженной частицей на микрометр пробега в веществе.

2) линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины её пробега в веществе. Единица измерения - килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм).

Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но используется значение ЛПЭ вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе.

В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на:

а) редкоионизирующие (ЛПЭ 10 кэВ/мкм) - альфа- и нейтронное излучения.

ЛПЭ заряженных частиц возрастает по мере снижения их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.

По природе ионизирующие излуч делятся на два основных вида:

а) корпускулярные (альфа, бета, нейтронное)

б) электромагнитные (гамма, рентгеновское)

Нестабильные ядра претерпевают 4 основных типа радиоактивных превращений:

Виды бета-превращения ядер:

1) электронный распад: .

Примеры электронного распада: ,

2) позитронный распад:

Примеры позитронного распада: ,

3) электронный захват (К-захват, т.к. ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, обычно из К-оболочки):

Примеры электронного захвата: ,

Характеристика корпускулярных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом.

1) альфа-частицы (ядра гелия):

- заряд +2, масса 4 а.е.м.

Кривая Брегга - график, отражающий зависимость ЛПЭ альфа-излучения от пройденного в веществе пути

- траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны в связи с их большой массой

- пробег альфа-частиц в воздухе до 11 см, в жидкостях и биологических тканях - от 10 до 100 мкм

- элементарная защита - любой плотный материал даже незначительной толщины (лист бумаги, кожа, одежда)

2) бета-частицы (электроны и позитроны):

- заряд -1 (электроны) и +1 (позитроны), масса пренебрежимо мала (1/1836 а.е.м.)

- энергия порядка нескольких кэВ

- элементарная защита - тонкий слой легкого металла (алюминиевая фольга), пластмасса, стекло.

Возможны следующие эффекты взаимодействия нейтронного излучения с веществом:

Основная часть энергии заряженных частиц, взаимодействующих с веществом, идёт на его:

В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на:

а) редкоионизирующие (ЛПЭ 10 кэВ/мкм) - альфа- и нейтронное излучения.

Альфа- частицы - ядро, состоящее из 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Альфа - излучение - поток ядер атомов гелия (альфа-частиц).

электрическом поле они отклоняются к положительному полюсу. Их скорость

приближается к скорости, света. Бета- частицы имеют небольшую массу (они в 1840

раз легче протонов), но отличаются большой проникающей способностью — в воздухе

они могут пробегать путь длинной, измеряемой десятками сантиметров и даже

несколькими метрами (в мягких тканях максимальный пробег бета — частиц достигает

Бета — частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой

обувью и т.п., но бета — частицы с энергией 0,07 МэВ (электронвольт) уже могут

пробить эпидермис. Поэтому даже при работе с мягкими (бета - излучателями руки

должны быть защищены перчатками, а от жестких (бета - частиц с энергией 0,5 МэВ и

Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное

Гамма - лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. По

свойствам это излучение близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей

скоростью и энергией. Оно распространяется со скоростью света. Характерная

особенность гамма-излучения - исключительно высокая проникающая способность .

Пробег гамма - квантов в воздухе может достигать 100 м, в мягки тканях —

Гамма - излучение в поглотителе тем сильнее, чем меньше энергия квантов и

больше масса, т.е. объем, плотность и порядковый номер поглотителя. По воздуху γ-

кванты свободно пролетают 100 м. При этом слой полуослабления ( 1/2) для квантов с

энергией 2,5 МэВ составляет в воздухе 200 м, в свинце только — 1,8 см, в бетоне-10 см,

Слой свинца толщиной 40 см ослабляет энергию таких γ -квантов в 10 7 раз.

С целью противорадиационной защиты должны проводиться мероприятия по

предупреждению попадания и резобции радионуклеидов и ускорение их выведения из

организма. С этой целью используется большое количество химических веществ,

сорбирующих радионуклиды или переводящие их в прочные комплексы.

Гамма-кванты — высвечиваемое излучение, испускаемое при радиоактивном

распаде ядрами с избытком энергией, не захваченной альфа и бета - частицами.

3.2. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом.

Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений (α и бета-частицы, γ-

кванты, нейтроны и т.д.) выбор материала для защиты, оценка биологического

действия излучения основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии

излучений с веществом.. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать,

каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.

Заряженные частицы, проходя через вещество, постепенно теряют энергию в

основном в результате взаимодействия с электронами атомов, а также с электрическим

В процессе взаимодействия с электронами атомов кинетическая энергия альфа и

бета — частиц растрачивается на ионизацию, т.е. на отрыв электронов от атомов и на

возбуждение атомов и молекул (ионизационные потери энергии) .Взаимодействуя с

электрическим полем ядра, заряженная частица тормозится и меняет направление

своего движения, при этом происходит испускание излучения, которая по своей

характеристике близко к рентгеновскому и называется тормозным рентгеновым

Уменьшение кинетической энергии заряженных частиц в электрическом поле

ядра составляет радиационные потери, которые будут тем значительнее, чем больше

порядковый номер атомов среды (плотность вещества) и энергия частиц. Следует

отметить, что радиационные потери и тормозное излучение характерно для бета-

Исходя из этого в практической работе для защиты от бета

целесообразно использовать материалы малой плотности

Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации служит

так называемая работа ионизации - средняя работа, затрачиваемая на образование

одной пары ионов. Для воздуха этот показатель составляет в среднем 35 эВ для альфа и

34 эВ для бета - частиц. Если известна энергия заряженной частицы, легко можно

подсчитать полную ионизацию, т.е. количество пар ионов, образованных на всем пути

= Е/W, где Е - энергия частицы,W- средняя энергия затраченная на

Заряженные частицы различные по природе, но с одинаковой энергией образуют

практически одинаковое число пар ионов (одинаковая полярная ионизация.). Однако

плотность ионизации или удельная ионизация, т.е. число пар ионов на единицу пути

частицы в веществе, будет различная. Плотность ионизации возрастает с увеличением

заряда частицы и с уменьшением ее скорости. Это обусловлено тем, что частицы с

большим зарядом сильнее взаимодействуют с электронами, а частицы, обладающие

меньшей скоростью, большее время находятся вблизи электронов, и их взаимодействие

с ними также оказывается более сильным. Удельная ионизация у альфа-частиц самая

большая из всех ядерных излучений. В воздухе на 1см пути альфа - частица образует

несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета-частицы- 50-100 пар ионов.

Проходя через вещество заряженные частицы, постепенно теряют энергию и скорость,

поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей

Процесс ионизации будет происходить до тех пор пока энергия альфа и бета-

частиц будет способна производить ионизацию. В конце пробега альфа-частица

2 электрона и превращается в атом гелия, а бета-частица

(электрон) может включиться в один из атомов среды или на какое-то время остается

Путь, проходимый альфа или бета- частицей в веществе, на протяжении

которого она производит ионизацию, называется пробегом частицы .

Пробег бета-частиц в воздухе достигает 25 см, а в биологической ткани до 1см.

Распространяются альфа-частицы в веществе прямолинейно и изменяют

направления движения только при соударениях с ядрами встречных атомов.

Бета-частицы, имея малую массу (в 7000 раз легче альфа - частицы), большую

скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального

направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами

Претерпевая многократное рассеяние бета - частицы могут даже двигаться в

обратном направление - обратное рассеяние. Эффект обратного рассеяния наблюдается

при радиометрии исследуемых препаратов, если пробу наносить на подложку из

материала большей плотности. Скорость счета в таких случаях иногда возрастает до

Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина

Таким образом, путь и пробег при характеристике бета-излучения имеет разное

понятие, путь бета-частиц всегда больше чем, пробег. Пробег выражается в единицах

длины (мк, мм, см и т.п.) или поверхности плотности (г/см 2 , мг/см 2 ). Следует отметить

еще одно различие прохождения альфа и бета-частиц через вещество.

1. Поскольку все альфа-частицы испускаемые данным радиоактивным изотопом,

обладают относительно равной энергией и движутся в веществе прямолинейно, то

число альфа-частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности

поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце пробега.

2. Спектр бета- частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя

число бета- частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности

уменьшается постепенно, так как бета-частицы различной энергии будут поглощаться

Ослабление интенсивности потока бета- частиц в веществе приблизительно

N - число бета- частиц прошедших через слой поглотителя d см; N ₀ -число бета-

частиц, поступивших за 1 с на площадку поглотителя равную 1 см 2 ; е - основание

натуральных логарифмов (2,72); μ (ми, мю) - линейный коэффициент ослабления

излучения, характеризующий относительное ослабление интенсивности потока бета-

частиц после прохождения поглотителя толщиной 1 см.

Обычно толщину поглотителя выражают не в единицах длины (см, мм), а в г/см 2

мг/см 2 , т.е. указывают массу поглотителя, приходящуюся на 1 см 2 его поверхности.

При радиоактивном распаде ядра испускают гамма - кванты с энергией в

пределах от нескольких КэВ (килоэлектроновольт) до нескольких МэВ (мега).

Гамма - кванты при прохождении через вещество теряют энергию в результате

3. Образование электронно-позитронных пар (образование пар).

Относительная величина каждых из этих электронов зависит от атомного

Фотоэффект. При фотоэлектрическом поглощении γ - квант, сталкиваясь с

прочно связанным электроном (чаще с электронами К-слоя) в атомах излучаемого

вещества, полностью передает ему свою энергию сам исчезает, а электрон приобретает

кинетическую энергию, равную энергии γ - кванта минус энергия связи электрона в

атоме. Таким образом, при фотоэффекте вся энергия первичного γ

преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые ионизируют атомы и

молекулы. На освободившееся место в орбите К-слоя перескакивает электрон l-слоя, на

- электрон М-слоя и т.д. с высвечиванием квантом характеристического

Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия γ - кванта не

превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным

Процесс фотоэффекта не возможен на слабосвязанных и свободных электронах

(не связанных с атомом), так как они не могут поглощать γ - кванты.

В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение

составляет 50% при энергии γ - квантов порядка 60 кЭВ.

При Е γ (энергия) - 120кЭВ для фотоэлектрического поглощения составляет

около 10%, а начиная с 200кЭэВ, этим процессом логично пренебречь. В этом случае γ

-излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния.

электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения

изменяют направление своего движения, т.е. рассеиваются. Образовавшиеся в

значительную кинетическую энергию и растрачивают ее на ионизацию вещества

В отличии от процессов фотоэлектрического поглощения при комптонэффекте γ

-кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи

которых минимальная. Комптоновское рассеивание возможно на свободных

Таким образом в результате комптонэффекта интенсивность γ

рассеиваются в различных направления, и выходят за пределы первичного пучка, а

также за счет передачи электронам части своей энергии.

Некоторые γ - кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество,

превращаются под давлением сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару

(позитрон- элементарная частица подобная электрону но с

В данном случае происходит преобразование одной формы материи γ

Образование такой пары возможна только при энергиях, γ -квантов, не меньших

чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц — электрона и позитрона. Поскольку

Образовавшаяся электронно-протонная пара в дальнейшем исчезает

превращаясь в два вторичных гамма - кванта с энергией, равному энергетическому

эквиваленту массы покоя частиц( - 0,511 МэВ позитронный распад).

Вторичные γ - кванты способны вызвать лишь комптонэффект и в конечном

счете фотоэффект, т.е. терять энергию только при соударениях с электронами.

Вероятность процесса образования пар увеличивается с увеличением энергии гамма -

квантов и плотности поглотителя. γ - лучи высоких энергий (более 8 МэВ) могут

взаимодействовать с ядрами атомов (ядерный эффект). Вероятность такого эффекта

весьма мала, и этот вид взаимодействия практически не ослабляет излучений в

Закон ослабления гамма-излучений веществом - существенно отличается от

закона ослабления альфа и бета-частиц. Пучок γ - лучей поглощается непрерывно с

увеличением толщины слоя поглотителя его интенсивность не обращается в ноль ни

Это значит что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью

поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность на любое

заданное число раз. В это существенное различие характера ослабления гамма-лучей от

ослабления альфа и бета-частиц, для которых всегда можно подобрать такой слой

вещества в котором полностью поглощается поток б и бета-частиц.

Закон ослабления пучка γ - λζχει θμεες ρλεδζώωθι βθδ:

Зная слой половинного ослабления можно довольно легко определить какой

нужно взять слой поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз.

Основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом.

Быстрые с энергией порядка мэВ, электроны попадая в ткань замедляются за

счет передачи энергии ядрам вещества при непосредственном столкновении с

последним, чем больше передача энергии при таком столкновении тем быстрее

Ткани организма животных практически полностью замедляют нейтроны так как

они много содержат водородных атомов и в среднем одно столкновение приходится на

Приведем некоторые примеры наиболее частой наведенной активностью в

1. При захвате теплового нейтрона ядром водорода последний превращается в

тяжелый водород (дейтерий). При этом выделяется гамма-фатон с энергией 2,18 МэВ.

Вторично ионизирующие частицы, энергия которых расходуется на выбивание

элементарных или сложных компонентов атома и его ядра при непосредственном

столкновении с ними и передается в виде кинетической энергии отрываемой частицы.

Отрываемые частицы, как правило являются заряженными и расходуют свою энергию

на процессы ионизации и возбуждения. К вторичным ионизирующим частицам следует

отнести незаряженные частицы - фотон и нейтрон. Фотон выбивает электроны с

оболочки атома, а нейтрон - протон из ядра. Нейтрон- элементарная частица не

имеющая электрического заряда, обладающая массой покоя 1, 67495 10 -27 кг и средним

В зависимости от энергии различают нейтроны: ультрахолодные, холодные,

надтепловые, промежуточные, быстрые и сверхбыстрые. В практике

(находятся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей

среды). Промежуточные - нейтроны с энергией в интервале от энергетической границы

Быстрые нейтроны - нейтроны с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ.

1. Дайте характеристику α - частицы и возможная защита от них.

2. Дайте характеристику бета - частицы и возможная защита от них.

3. Дайте характеристику γ - лучей и возможная защита от них.

4. Что понимается под воздействием ядерных излучений с веществом.

5. Перечислите основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом.

1. Ильин Л.А. Актуальная радиобиология [Электронный ресурс] : курс лекций / Л.А. Ильин

Альфа частица представляет собой положительно заряженную частицу в ядерной физике, которая образуется при распаде ядер и имеет два протона и два нейтрона. Поток таких частиц принято называть альфа излучением.

Открытие в ядерной физике

Впервые о данном явлении упомянул ученый Э. Резерфорд еще вначале XX в., который в числе первых предположил наличие бета, гамма и, конечно же, альфа частиц, провел много опытов превращения ядер азота в ядра кислорода. Среди нескольких видов излучений, альфа излучение наиболее безопасное для живых существ.

Основные характеристики

Альфа частица выглядит как симметричный объект в виде сферы, при радиусе приблизительно 2·10 -13 см. Что касается ее массы, то это — 6.6·10 -27 кг. Скорость ее передвижения довольно низкая, при выхождении из ядра, она способна перемещаться еще некоторое расстояние, затем останавливается.

При близком контакте с кожей человека она способна проникнуть на расстояние всего нескольких микрон. Это объясняется процессом ионизации, при котором поток отдает большую часть своей первоначальной энергии.

Взаимодействие альфа излучения с различными веществами

Частицы, образующие альфа излучение, являются довольно тяжелыми, вследствие чего у них небольшая скорость. Также, стоит отметить, что большое количество своей энергии они передают поглотителю при малой скорости, при этом образуется большое количество пар ионов. Для примера рассматривается частица со скоростью 20 мм/с которая способна образовать в воздухе приблизительно сто тысяч пар ионов.

Влияние на живые организмы

Альфа-распад атомного ядра

Внешняя проникающая способность данного излучения небольшая, может вполне задерживаться слоем бумаги. При малом внешнем воздействии возможно развитие злокачественных образований и нарушение правильного обмена веществ. Однако, при таком виде подвержены поражению слизистые участки тела и глаза, которые не поддаются дальнейшему излечению.

В процессе большого количества исследований, ученые пришли к выводу, что альфа частицы при попадании в живой организм с помощью пищи, воды и воздуха могут принести поистине катастрофические разрушения, поскольку они полностью сжигают живой организм изнутри. Особенно опасными признаны альфа частицы плутония 239, которые активно накапливаются в почках, печени, легких, селезенке и приводят к тяжелой форме лучевой болезни, затем и к скорому летальному исходу.

Научно-популярный фильм о Эрнесте Резерфорде

Читайте также: